CN108168694B - 辐照环境用低暗计数单光子探测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种辐照环境用低暗计数单光子探测装置及利用该装置进行单光子探测的方法。其中，装置包括雪崩光电二极管，用于在盖革模式下，探测输入的单光子量级光信号；一级制冷结构，用于根据控制信号，控制雪崩光电二极管器件的安装环境温度；温度采集模块，用于采集雪崩光电二极管的温度信号；温度控制算法模块，用于接收雪崩光电二极管的温度信号，并根据雪崩光电二极管的温度以及其当前的目标温度分析出需要的温度控制信号；温度控制电路，用于根据温度控制算法模块给出的温度控制信号，生成驱动控制信号；热电制冷模块，用于调节雪崩光电二极管的温度。该装置有效地抑制辐照引起的暗计数增加速度，解决了辐照环境应用低暗计数单光子探测器的难题。
Description
技术领域
本发明涉及量子信息以及激光雷达领域，进一步涉及一种辐照环境中低暗计数的单光子探测装置及方法，尤其是涉及一种应用在空间辐照环境中的低暗计数单光子探测装置及方法。
背景技术
随着空间技术的发展，基于卫星平台的量子信息和激光雷达扩展了其应用范围，成为各国争先研究的领域。在量子信息、单光子激光雷达等领域，均使用单光子探测技术实现对单光子量级的弱信号探测，高探测效率、低暗计数的单光子探测器实现成为制约应用的一个关键因素。
单光子探测器主要包括基于雪崩光电二极管(APD)的单光子探测器、基于光电倍增管(PMT)的单光子探测器、超导纳米线单光子探测器(SNSPD)和上转换探测器等。PMT在850nm波段的探测效率在10％左右，暗计数几百，但是其体积较大、需要避免强光和磁场，使用寿命、稳定性以及可扩展性很差；SNSPD可以做到超过90％的探测效率及低至几个的暗计数，但是需要体积大、成本高且复杂的制冷结构；上转换探测器将1550nm附近波段光子转换成850nm波段后再使用APD进行探测，结构复杂、成本较高。与此同时，APD由于技术成熟、体积小、性能优异、成本低廉，而获得了广泛的应用。APD中目前普遍使用的是基于硅的APD(SiAPD)和基于铟镓砷/磷化铟的APD(InGaAs/InP APD)。Si APD主要是用于近红外波段(850nm附近)的单光子探测器，具有超过50％探测效率、暗计数低至25cps的商业产品；InGaAs/InPAPD主要是用于红外波段(1550nm附近)的单光子探测器，目前商业产品的探测效率只有10％，且暗计数一般超过数千。
针对空间应用的APD，在具有极高的单光子灵敏度的同时，也容易受空间辐照等的影响。理论和试验研究都表明，空间辐照如电离总剂量、位移损伤等，对APD的探测效率、时间晃动、后脉冲概率等特性影响较小，但是会造成APD暗计数显著增加。对于普通的商业SiAPD，如超过50％探测效率、暗计数低至25ps的产品，在模拟的500km卫星轨道上，空间质子辐照条件下，每天暗计数增量在100cps以上，最终导致探测器暗计数在较短时间内显著增大，难以应用于量子信息和激光雷达等对低暗计数有强烈需求的领域。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种辐照环境用低暗计数单光子探测装置及方法，以解决以上所述的至少部分技术问题。
(二)技术方案
根据本发明的一方面，提供一种辐照环境用低暗计数单光子探测装置，包括：
雪崩光电二极管，用于工作在盖革模式下，探测输入的单光子量级光信号；
一级制冷结构，用于控制雪崩光电二极管器件的安装环境温度；
温度采集模块，包括热敏电阻和与热敏电阻电性连接的温度采集电路，用于采集雪崩光电二极管的温度信号；
温度控制算法模块，用于接收所述雪崩光电二极管的温度信号，并根据雪崩光电二极管的温度以及其当前的目标温度分析出需要的温度控制信号；
温度控制电路，用于根据温度控制算法模块给出的温度控制信号，生成驱动控制信号；
热电制冷模块，作为二级制冷结构，用于根据所述驱动控制信号，进一步调节雪崩光电二极管的温度。
在进一步的实施方案中，所述雪崩光电二极管集成于热电制冷模块上。
在进一步的实施方案中，还包括：驱动控制电路，用于将雪崩光电二极管的雪崩信号转化为电脉冲，通过比较器和定时电路后输出电脉冲信号。
在进一步的实施方案中，还包括：高压管理模块，用于根据当前雪崩二极管的温度为其提供对应的偏置高压，保证雪崩二极管在不同的温度下具有相同的探测效率；
在进一步的实施方案中，所述热敏电阻集成于所述热电制冷模块上。
在进一步的实施方案中，所述温度采集电路包括恒流源、运算放大器以及模拟数字转换器(ADC)，所述恒流源与所述热敏电阻电性连接，将热敏电阻阻值转化为电压值，所述模拟数字转换器用于将雪崩二极管温度对应的电压值进行模数转换，形成数字温度信号。
在进一步的实施方案中，温度控制算法模块具体用于根据当前雪崩二极管的温度与温度设置目标值的偏差，分析出需要的温度控制信号。
在进一步的实施方案中，所述温度控制电路包括驱动器、两个P沟道金属氧化物半导体管和两个N沟道金属氧化物半导体管，过改变脉冲宽度调制(PWM)信号的占空比来控制流过热电制冷模块(TEC)的电流大小，通过开关不同的半导体管，来控制流过TEC的电流的方向，产生致冷或者加热以控制雪崩光电二极管的温度。
根据本发明的另一方面，提供一种以上任意所述装置的单光子探测方法，包括步骤：
确认所述装置环境温度达到安装环境温度设置目标值要求后，单光子探测器温控相关电路上电，根据控制指令将探测器温度控制在设定值；
实时监测所述装置的环境温度和雪崩光电二极管的温度，通过闭环控制保证工作阶段温度参数的稳定；同时，开启单光子探测器的驱动控制电路，接收到达的光子信号并记录数据，探测结束后，单光子探测器断电。
在进一步的实施方案中，还包括步骤：在辐照环境中探测结束后，根据记录数据，再次校正探测器的工作参数。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的辐照环境用低暗计数单光子探测装置有效地抑制辐照引起的暗计数增加速度，解决了辐照环境应用低暗计数单光子探测器的难题；
本发明实施例的辐照环境用低暗计数单光子探测装置可以广泛地应用到空间量子通信领域和激光雷达等领域，具有很强的实用性。
附图说明
图1是本发明实施例辐照环境用低暗计数单光子探测装置的系统框图。
图2是本发明实施例辐照环境用低暗计数单光子探测装置的二级温度控制电路原理图。
图3是本发明实施例基于该单光子探测装置的地面-卫星量子隐形传态示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。在下文中，将提供一些实施例以详细说明本发明的实施方案。本发明的优点以及功效将通过本发明下述内容而更为显著。在此说明所附附图简化过且做为例示用。附图中所示的组件数量、形状及尺寸可依据实际情况而进行修改，且组件的配置可能更为复杂。本发明中也可进行其他方面的实践或应用，且不偏离本发明所定义的精神及范畴的条件下，可进行各种变化以及调整。
本发明的目的是针对辐照环境下低暗计数单光子探测的需求以及当前技术的不足，提供一个可应用于辐照环境中的低暗计数的单光子探测装置及方法。
该装置基于硅基雪崩光电二极管，利用其盖革模式下的极高灵敏度，实现单光子量级的能量探测；利用辐照环境对探测器的晶体损伤在温度越低的环境下表达越低的原理，通过降低探测器工作点温度的方式降低暗计数，同时不影响探测效率。该装置解决了辐照环境应用单光子探测器抗辐照难的问题，具有实用性强的优点。
理论表明，降低雪崩二极管的工作温度，探测器内部晶体损伤导致的暗计数呈指数关系降低，见公式(1)，可以有效抑制辐照的影响，同时不影响探测效率。
其中，T是雪崩二极管工作温度，单位开尔文；是工作温度稳定为T0时探测器的暗计数，α是雪崩二极管特性参数。利用一级制冷结构实现一级降温控制，使用雪崩二极管集成的热电制冷(TEC)模块实现二级降温，最终得到超低温工作点，实现低暗计数的单光子探测。
本发明实施例可以通过以下技术方案实现：
图1是本发明实施例辐照环境用低暗计数单光子探测装置的系统框图。可以包括：
①雪崩光电二极管(APD)：工作在盖革模式下，接收并探测输入的光信号；
②高压管理模块：为雪崩二极管在不同的温度下提供对应的偏置高压，保证雪崩二极管在不同温度下探测效率不变；
③一级制冷结构：主要利用结构进行控温，控制APD器件的安装环境温度，比如说-15℃，使得APD工作在一个较低的温度环境中
④温度采集模块：主要用于采集APD的温度，并将结果发送给温度控制算法；
⑤温度控制算法模块：主要用于根据APD的温度以及其当前的目标温度计算出需要的温度控制信号
⑥温度控制电路：根据温度控制算法模块给出的控制信号，生成驱动控制信号以利用TEC调节APD的温度；
⑦驱动控制电路：主要将APD的雪崩信号转化为电脉冲，通过比较器和定时电路后输出可以直接进行测量的电脉冲信号。
⑧热电制冷模块，用于根据所述驱动控制信号，调节雪崩光电二极管的温度。
具体的实现方法包括以下步骤：
1)在地面环境工作时，或者刚刚发射入轨工作时，APD没有受到辐照的影响，在保证探测器低暗计数的情况下，一级制冷结构不工作，利用TEC进行控温，APD的温度可以控制在较高的值。
2)装置进入辐照环境后，如空间轨道，APD的暗计数随时间会逐步慢慢增加。
3)在空间辐照环境中工作一段时间后，APD暗计数超过设定的指标，可以将APD的工作温度设置在一个更低的值，同时调整其偏置高压。
4)首先开启一级制冷结构，控制APD器件的安装环境温度达到一个较低的值，比如说-15℃。
5)二级温度控制电路的原理图如图2所示，通过APD内部集成的热敏电阻实时采集APD的温度，并利用TEC完成对APD温度的控制。恒流源将随温度变化的热敏电阻的阻值转化为电压值，经运算放大器作跟随处理后由模拟数字转换器(ADC)进行数据采集。温度控制算法来根据当前APD温度值与温度设置目标值的偏差，改变脉冲宽度调制(PWM)信号的占空比，及其P沟道金属氧化物半导体管和N沟道金属氧化物半导体管的开关，以控制流过TEC的电流的方向和大小，最终产生致冷或者加热，实现对APD温度的稳定控制。
6)在一级制冷结构的基础上，利用APD内部的TEC进行二级制冷，可以进一步降低APD的温度，比如说-50℃。可以让APD工作在更低的温度下，实现在空间辐照环境下的低暗计数。
本发明实施例还提供一种应用上述装置进行单光子探测的方法。典型的探测方法可以如实施例一所示，但应理解的是以下具体的探测方法只是用于详细说明本发明的探测方法，而不应理解为对本发明的限制。本领域技术人员可以对以下方法步骤进行任意增减、变形和替代。
实施例一：
一套用于地面-卫星量子隐形传态实验的单光子探测装置及探测方法。
该单光子探测装置用于接收地面-卫星量子隐形传态实验中从地面传输到卫星上的纠缠光子对。基于该单光子探测装置的地面-卫星量子隐形传态系统框图见图3。
其中卫星上接收端单光子探测装置主要由雪崩二极管APD、高压管理模块、一级制冷结构、温度采集模块、温度控制算法、温度控制电路、驱动控制电路等几个主要组成部分。首先，在APD的外围有一层屏蔽结构(主要为铝和钽)，主要用于屏蔽一些低能粒子对单光子探测器的影响。一级制冷结构使用一根导热管，将安装有单光子探测器的铝结构和卫星环境连接起来，由卫星控制单光子探测器的安装结构环境温度。
单光子探测方法的具体步骤如下：
(1)地面-卫星量子隐形传态实验前准备工作
确认单光子探测器环境温度满足要求后，单光子探测器相关电路上电，根据地面指令将探测器温度控制在设定值；
(2)地面-卫星量子隐形传态实验阶段
系统实时监测单光子探测器的环境温度和探测器温度，通过闭环控制保证工作阶段温度参数的稳定。同时，开启单光子探测器的驱动控制电路，接收到达的光子信号并记录数据。隐形传态实验结束后，单光子探测器断电。
(3)地面-卫星量子隐形传态实验接收后，校正探测器的工作参数
隐形传态实验结束后，判断当前单光子探测器的暗计数是否大于预定的阈值，若大于设定的阈值，则计算下一次地面-卫星量子隐形传态实验单光子探测器的目标温度和偏置高压的参数。
通过以上方法就实现了辐照环境下单光子探测器的低暗计数，将在500km轨道空间辐照造成的暗计数增加速率，由大于100cps/天降低到0.55cps/天，在轨工作一年后的暗计数也小于300cps/天，满足了地星量子隐形传态实验的需求。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种辐照环境用低暗计数单光子探测装置，其特征在于，包括：
雪崩光电二极管，用于工作在盖革模式下，探测输入的单光子量级光信号，在所述雪崩光电二极管的外围有一层屏蔽结构，用于屏蔽低能粒子对单光子探测装置的影响；
一级制冷结构，用于控制雪崩光电二极管器件的安装环境温度，所述一级制冷结构使用一根导热管，将安装有单光子探测器的铝结构和卫星环境连接起来；
温度采集模块，包括热敏电阻和与热敏电阻电性连接的温度采集电路，用于采集雪崩光电二极管的温度信号；
温度控制算法模块，用于接收所述雪崩光电二极管的温度信号，并根据雪崩光电二极管的温度以及其当前的目标温度分析出需要的温度控制信号；
温度控制电路，通过改变脉冲宽度调制信号的占空比来控制流过热电制冷模块的电流大小，通过开关不同的半导体管，来控制流过热电制冷模块的电流的方向，产生致冷或者加热以控制雪崩光电二极管的温度，用于根据温度控制算法模块给出的温度控制信号，生成驱动控制信号；
热电制冷模块，作为二级制冷结构，用于根据所述驱动控制信号，进一步调节所述雪崩光电二极管的温度。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述雪崩光电二极管集成于热电制冷模块上。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
高压管理模块，根据当前雪崩二极管的温度为其提供对应的偏置高压，保证雪崩二极管在不同的温度下具有相同的探测效率；
驱动控制电路，用于将雪崩光电二极管的雪崩信号转化为电脉冲，通过比较器和定时电路后输出电脉冲信号。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热敏电阻集成于所述热电制冷模块上。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温度采集电路包括恒流源、运算放大器以及模拟数字转换器(ADC)，所述恒流源与所述热敏电阻电性连接，将热敏电阻阻值转化为电压值，所述模拟数字转换器用于将雪崩二极管温度对应的电压值进行模数转换，形成数字温度信号。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，温度控制算法模块具体用于根据当前雪崩二极管的温度与温度设置目标值的偏差，分析出需要的温度控制信号。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温度控制电路包括驱动器、两个P沟道金属氧化物半导体管和两个N沟道金属氧化物半导体管。
8.一种应用权利要求1-7任一所述装置的单光子探测方法，其特征在于包括步骤：
确认所述装置环境温度达到安装环境温度设置目标值要求后，单光子探测器温控相关电路上电，根据控制指令将探测器温度控制在设定值；
实时监测所述装置的环境温度和雪崩光电二极管的温度，通过闭环控制保证工作阶段温度参数的稳定；同时，开启单光子探测器的驱动控制电路，接收到达的光子信号并记录数据，探测结束后，单光子探测器断电。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括步骤：
在辐照环境中探测结束后，根据记录数据，再次校正探测器的工作参数。
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